东方晶源：以HPO理念助力构建芯片制造“港珠澳大桥”

【编者按】2024年，集成电路行业在变革与机遇中持续发展。面对全球经济的新常态、技术创新的加速以及市场需求的不断变化，集成电路企业如何在新的一年里保持竞争力并实现可持续发展？为了深入探讨这些议题，《集微网》特推出展望2025系列报道，邀请集成电路行业的领军企业，分享过去一年的经验与成果，展望未来的发展趋势与机遇。

本期企业视角来自：东方晶源微电子科技（北京）股份有限公司（以下简称“东方晶源”）

随着人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的迅猛发展，集成电路制程节点正以前所未有的速度不断演进，2025年将进入2nm量产时代。这一进程不仅带来了计算能力的飞跃，也使得集成电路的工艺复杂程度急剧增加。每一代制程技术的迭代，都伴随着对材料、设计、制造和测试等各个环节的极高要求，而良率问题则是集成电路行业发展中必须面临的最大挑战之一。

电子设计自动化（EDA）工具作为集成电路设计与制造的重要支撑，在挖掘潜力、提升良率方向上可以发挥重要作用，大幅提升芯片从设计到制造的转换效率与成功率。东方晶源创立之初便提出HPO（Holistic Process Optimization）良率最大化技术路线和产品设计理念，是DTCO（Design-Technology Co-Optimization，设计与技术协同优化）方面的重要实践。基于CPU+GPU混合超算架构的反向光刻技术（ILT）通过深度学习和大数据对光刻制程精确建模，优化工艺窗口，也能更好地满足先进制程对图形精度的苛刻需求，提高芯片制造的良率和性能。

同时，东方晶源也在持续深耕电子束量测检测核心技术。随着半导体制程不断微缩，电子束量检技术的应用场景越来越多。近年来，电子束量测检测设备已经逐渐成为芯片制造装备中除光刻机之外技术难度最高的设备类别之一。这不仅是因为其技术的复杂性，还因为其在确保芯片性能方面发挥着至关重要的作用。东方晶源在这一领域内的产品覆盖了EBI（电子束缺陷检测设备）、CD-SEM（关键尺寸量测设备）与DR-SEM（电子束缺陷复检设备）等关键领域，这些产品在提升集成电路产品性能方面发挥着重要作用

随着中国经济的持续增长和消费升级的推动，集成电路市场规模持续扩大。与此同时，外部国际环境也正变得日益严峻，对中国集成电路产业的发展形成挑战。中国集成电路产业只有持续加大研发投入，坚持自主技术创新，包括在先进制程工艺、量测检测技术、EDA等领域不断推进，才能实现产业竞争力的整体壮大。在此过程中，以东方晶源HPO为代表的相关EDA工具、电子束量测检测设备都将发挥重要作用。

HPO助力降低芯片制造门槛

近年来，集成电路制程技术不断向更先进的节点推进。3nm制程技术已经实现量产，并广泛应用于智能手机、数据中心等高端领域。台积电、英特尔、三星均把2nm的量产时程瞄向2025年。比利时微电子研究中心（IMEC）预测，2025年后，晶体管微缩化将进入埃米尺度。生产方面，SEMI最新发布的全球晶圆厂季度报告预计，2025年全球将启动18座新晶圆厂建设项目，其中包括15座300毫米晶圆设施，以满足先进制程芯片的生产需求。

然而，随着集成电路技术节点的不断演进，工艺复杂程度不断增加，良率变得极具挑战。数据统计显示，对于尖端的逻辑晶圆厂而言，1%的良率就意味1.5亿美元的净利润。良率过低往往代表晶圆厂工艺的低效与不合格，也很难赢得用户的青睐。

近年来，我国对集成电路产业给予高度重视，随着国内芯片自给率的大幅提升，晶圆厂工艺不断向先进节点演进。针对这一发展形势，东方晶源指出，仅仅利用国产化供应链流片成功是不够的，如何在已有的工具基础上，更充分地挖掘潜力，提升良率将变得越来越关键。

东方晶源从创立之初便提出的HPO（Holistic Process Optimization）良率最大化技术路线和产品设计理念。设计与制造工艺的协同优化（DTCO）是当前业界针对良率问题的主流解决思路。HPO正是基于DTCO发展形成，其核心在于通过全面的工艺优化，实现晶圆制造过程中的良率最大化。通过HPO，东方晶源可以帮助用户有效降低芯片制造的门槛，使其在相对受限供应链支撑下，通过协同优化的方式也能够制造出高端芯片。这对于后摩尔时代的中国半导体产业显得尤为重要。

HPO理念的实施对于东方晶源公司自身来说同样具有重要意义。经过这些年的发展，基于HPO理念，东方晶源已经与客户实现了深度绑定，不仅根据客户现有需求提供点工具，还致力于将这些工具串成线，为客户提供全新的系统性良率管理解决方案。采访中，东方晶源打了一个比方，HPO一体化良率方案有些类似于港珠澳大桥，公司的计算光刻软件产品、电子束装备、良率管理软件等点工具都是桥墩或者中继岛。经过近10年的努力，现在各个“桥墩”都已经立得差不多了，后续将进行有效连通，把“跨海大桥”建设起来。

无缝耦合AI+计算光刻解决方案

EDA作为集成电路产业链的一个环节，发挥了越来越重要的作用。其不仅能够通过算法优化和技术创新，实现设计效率的提升，在制造领域同样举足轻重。EDA工具通过高精度的计算和优化算法，能够生成精确的掩模数据，这是制造集成电路的关键一步。掩模数据的准确性直接影响到制造出的芯片的性能和良率。

围绕计算光刻环节，东方晶源旗下PanGen®平台已经形成八个产品矩阵，包括精确的制程仿真、DRC、SBAR、OPC、LRC、DPT、SMO、DMC，具备完整的计算光刻相关EDA工具链条。如东方晶源开发的计算光刻产品OPC，应用于光刻掩模版优化及光刻机光源优化，已经成为决定产品良率的重要环节之一。

目前越来越多的半导体公司捕捉到AI技术的巨大潜力，纷纷将其作为推动自身技术创新的关键驱动力，通过引入AI技术，优化研发流程，加速新产品开发，提高生产良率，降低成本。早在2015年东方晶源开始启动计算光刻这个产品方向时，创始人俞宗强博士就提出要基于GPU加速来做全芯片的反向光刻，即ILT。目前，整个东方晶源的计算光刻产品PanGen®都是完全基于CPU+GPU的混合超算架构和CUDA开发的，可以和AI框架运行在同样的运算环境里的，能够无缝地将AI程序耦合进计算光刻主体功能，将强大的AI算法更充分地和计算光刻领域know-how结合起来，构建更高效、更智能化的解决方案，并且天然可以更有效地享受当下AI技术突飞猛进的红利。

据了解，东方晶源已经开发了基于AI的快速光刻反馈模型，能够以高于普通OPC recipe 100 倍的速度直接从输入设计版图获得Contour。这样设计者就可以快速知道其设计版图是不是有工艺不友好的地方，防患于未然。

此外，东方晶源还在开发有AI助力的Process Model，将既有的比较物理化的光刻、刻蚀模型和AI技术有效结合起来，能更动态、更全面地随测量数据反映工艺表现，进而为Fab和Designer提供更有效、及时的反馈。

在EDA领域，全球顶尖的公司已经在资本市场支持，以及相关国家政府的政策扶持下进行了超百次的并购。这才形成如今完整的工具链。对此，东方晶源指出，国内企业要在短时间内按照原有点工具逐个开发的方式重走一遍老路，所需的时间和资源是非常大的。因此，中国企业要较快实现EDA全流程自主可控，就要走一条创新之路。

软硬件结合助力集成电路产业升级

随着摩尔定律的演进，集成电路的复杂度和性能要求不断提升，这对设计、制造和测试等环节都提出了更高的挑战。半导体的量测检测设备贯穿整个芯片制造工艺的全流程，对保证产品质量起到关键性作用。而电子束检测设备作为主要的技术类型之一，在半导体制程不断微缩，光学检测在先进工艺图像识别的灵敏度逐渐减弱情况下，应用场景越来越多。

创立伊始，东方晶源就致力于电子束的纳米级量测检测设备开发，目前产品已经覆盖EBI（电子束缺陷检测设备）、CD-SEM（关键尺寸量测设备）与DR-SEM（电子束缺陷复检设备）等关键领域，配合良率管理系统YieldBook的应用，产品线布局日臻完善。

EBI 作为东方晶源的成熟产品线，经过多年的研发迭代，已经取得了显著的技术进步。这一系列产品不仅能够检测电性能缺陷，还具备物理缺陷的检测能力。目前产品i525兼容步进式和连续式扫描模式，相较于之前版本，速度有了3倍-5倍的提升。此外，i525的电子光学系统设计支持negative mode检测方式，并能够提供40nA以上的检测束流，同时引入多种wafer荷电控制方案，有效降低了荷电效应对图像的影响。新一代EBI中，电子光学系统采用了电子束预充电技术，专门解决高深宽比（HAR）及存储芯片特殊制程缺陷检测需求。通过一系列设计升级，新一代产品也提供了更高精度的物理缺陷检测能力和更快的成像能力。

CD-SEM设备方面，东方晶源继12吋c430和6/8吋c310之后，新一代CD-SEM电子光学系统（EOS），采用了球色差优化的物镜、像差补偿技术和自动校正技术等新方案，实现了高成像分辨率和高量测精度，同时具备低剂量（low dose）辐照成像能力和去电荷积累技术，保证了量测的精度和稳定性，同时减少了对样品的损伤。高速传片系统采用优化的真空和机械设计方案，显著提升了关键尺寸量测产能。

DR-SEM设备是东方晶源最新涉足的细分领域。2023年推出的首款SEpA-r600TM设备，其图像质量已满足客户要求，D2D算法的捕获率（Capture Rate）超过95%，接近成熟机台的水平，已经正式进入客户产线。新一代DR-SEM电子光学系统采用多通道探测器，能够全方位立体表征缺陷信息，并通过电子光路和探测器的设计优化提升采图速度。同时，高精度运动平台的升级研发将实现更准确的缺陷定位和检测能力。

东方晶源还在不断拓展电子束量测设备的能量范围，填补国内高能电子束量测的空白。这些技术的进步和新产品的推出，展示了东方晶源在半导体检测领域的创新能力和技术实力。

东方晶源指出，技术创新是推动集成电路产业升级的关键力量，需要持续加大研发投入，致力于先进制程工艺、量测检测技术、EDA等领域的创新，以提升和保证产品性能及品质，适应并满足市场需求。中国政府高度重视集成电路产业的发展，2024年在国家政策的大力支持下，国产替代取得显著成效，预计未来几年，国产芯片的自给率将大幅提升，逐步缩小与国际先进水平的差距，对应产能及需求，相关产业链上下游产品及技术也会随之加速进步，得到进一步完善。

在新的一年里，公司首先就是要紧跟国内最先进工艺，作为点工具，能够持续为客户提供坚实的计算光刻解决方案。第二是更多地与AI技术相结合，从而更全面、高效地反馈Fab工艺。第三是实现EDA 软件更多地和量测硬件结合，加速落地HPO一体化良率方案。